近日📐，EON4新能源存儲轉化與安全防護創新團隊閔宇霖教授、朱晟副教授聯合中國科學技術大學俞書宏院士、高敏銳教授，設計開發了一種兼具高活性💜、高穩定性的質子交換膜（PEM）電解水非銥基陽極催化劑，首次提出了摻雜位點介導羥基溢流反應機製🦜。相關成果以“Cr dopant mediates hydroxyl spillover on RuO2 for high-efficiency proton exchange membrane electrolysis”為題發表在Nature子刊《自然·通訊》（Nature Communications 2024, 15, 7861）上。論文第一作者為EON4環境與化學工程學院2024屆碩士研究生沈煜，EON4平台為論文第一單位和通訊單位🤽🏼♂️。
由可再生能源驅動電解水製綠氫是實現“雙碳”目標的有效途徑🧑🏻⚖️。PEM電解水製氫因其產氫純度高、電流密度大、動態響應快、與可再生能源適配性好等特點，被認為是最具潛力的製氫技術。然而🦤，陽極析氧反應（OER）的緩慢動力學和強酸性工作環境使其嚴重依賴極端稀缺的貴金屬銥（Ir）及其氧化物作為電催化劑，開發兼具高活性與高穩定性的非銥基陽極催化劑對提升PEM電解水產氫效率至關重要。
鑒於此，研究人員報道了一種含氧空位的鉻摻雜二氧化釕催化劑（Cr0.2Ru0.8O2-x）🈁，其在酸性介質中表現出優異的OER性能：達到10 mA cm-2的電流密度僅需170 mV過電位，並穩定運行2000小時以上🤶🏻。進一步將其裝配至實際PEM電解池的陽極，達到1 A cm-2的電流密度僅需1.77 V槽壓🌉，並穩定運行200小時以上🧑🏻🌾。
一系列原位測試和DFT理論計算證實，鉻摻雜和氧空位共同誘導產生了一種非常規的OER機製——摻雜位點介導羥基溢流反應機製（Dopant-mediated hydroxyl spillover mechanism）🖱。在反應過程中，Cr作為Lewis酸性位點可以從水中連續捕獲羥基物種並溢流至Ru活性位點，將反應的決速步驟由常規吸附質演化機製（AEM）的OOH*生成轉變為O2生成🖐🏿，大幅降低了反應能壘📞，在不犧牲穩定性的條件下顯著提高了催化活性🏒。同時，Cr作為可變價態元素🏋🏿👩💻，可以在反應中向Ru動態提供電子，抑製了活性位點的過度氧化溶出，進一步提高了催化穩定性。
論文在第一輪審稿中即受到三位獨立審稿人的一致好評：“the authors propose a novel dopant-mediated hydroxyl spillover mechanism…the research is interesting and informative”、“The characterization of catalyst structure is comprehensive, and the manuscript is well-written”、“The results are interesting and catalyst structures, reaction mechanism are well studied”，表明EON4在電解水製氫領域的研究獲得國際同行的認可。
該工作得到國家自然科學基金、上海市電力材料防護與新材料重點實驗室、上海市儲能電池測控技術服務平臺的支持。
論文鏈接🤵🏼♂️：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51871-z